DE102006041469B3 - Coating anti-reflection layer containing silicon dioxide on a borosilicate glass body comprises wetting the body containing e.g. silicon dioxide with a coating solution containing e.g. hydrochloric acid, followed by drying and annealing - Google Patents
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer haft- und wischfesten, poröses SiO2 enthaltenden Antireflexionsschicht auf einem Borosilikatglaskörper sowie dafür geeignete Beschichtungslösung.The invention relates to a process for producing an adhesive and smudge-resistant, porous SiO 2 -containing antireflection coating on a borosilicate glass body and coating solution suitable therefor.
Aus
Gemäß
Alle vorgenannten Schriften befassen sich mit der Erzeugung von Schichten auf Kalk-Natron-Glas.All The above publications are concerned with the generation of layers on soda-lime glass.
Es ist bekannt, dass poröse SiO2-Schichten auf Borosilikatglaskörpern schlecht haften. Das betrifft insbesondere Schichten, die unter Verwendung eines SiO2-Sols hergestellt worden sind.It is known that porous SiO 2 layers adhere poorly to borosilicate glass bodies. This applies in particular to layers which have been produced using a SiO 2 sol.
Zur
Verbesserung der Haftung wurde bereits vorgeschlagen, dem Sol Tetraethylorthosilikat
zuzusetzen, dessen Zersetzungsprodukte die SiO2-Partikel untereinander
und mit der Unterlage verkleben (
Aus
Aus
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Beschichtungsverfahren und eine Beschichtungslösung zu finden, die ähnlich einfach zu handhaben ist wie die oben beschriebene phosphorhaltige Beschichtungslösung, wobei die daraus gebildete Schicht aber keine Alterungsprobleme hat und nicht nach ihrer Herstellung gewaschen werden muss.The The object of the invention is a coating method and a coating solution find that similar easy to handle is like the phosphorus-containing one described above Coating solution but the layer formed therefrom does not cause aging problems and does not have to be washed after their preparation.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren, bei dem der mit einer Antireflexionsschicht
zu versehende Körper,
der in Gew.-% auf Oxidbasis 70-75 SiO2,
8-11 B2O3, 5-9 Al2O3, 7-12 Alkalioxide, 0-10
Erdalkalioxide enthält,
mit einer Lösung
benetzt wird, die bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung enthält:
Der HCl-Anteil dient als Säure in an sich bekannter Weise der Stabilisierung des SiO2-Sols. Das SiO2-Sol (Kieselsol) kann nach bekannten Methoden, z. B. durch Behandeln einer wässrigen Alkalisilikat-Lösung mit Ionenaustauschern, hergestellt werden. Kieselsol ist eine wässrige Lösung von kolloidalem, amorphem SiO2. Die im Handel erhältlichen Kieselsole enthalten üblicherweise 30 bis 60 Gew.-% SiO2. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser beträgt 5 bis 150 nm.The HCl fraction serves as the acid in a manner known per se for stabilizing the SiO 2 sol. The SiO 2 sol (silica sol) can be prepared by known methods, for. Example, by treating an aqueous alkali metal silicate solution with ion exchangers, are prepared. Silica sol is an aqueous solution of colloidal, amorphous SiO 2 . The commercially available silica sols usually contain from 30 to 60% by weight of SiO 2 . The average particle diameter is 5 to 150 nm.
Der SiO2-Anteil in der Beschichtungslösung beträgt bevorzugt 0,5 bis 2,5 Gew.-%. Die Teilchengröße des SiO2 in der Beschichtungslösung soll 5 bis 50 nm, bevorzugt 8 bis 20 nm betragen.The SiO 2 content in the coating solution is preferably 0.5 to 2.5% by weight. The particle size of the SiO 2 in the coating solution should be 5 to 50 nm, preferably 8 to 20 nm.
Der Wasseranteil in der Beschichtungslösung beträgt 0,5 bis 5 Gew.-%, er stammt in der Regel aus dem Kieselsol, der Säure und den nicht immer wasserfreien Lösemitteln.Of the Water content in the coating solution is 0.5 to 5 wt .-%, it comes from usually from the silica sol, the acid and not always anhydrous Solvents.
Der Rest der Beschichtungslösung besteht aus einem leichtflüchtigen, wasserlöslichen organischen Lösungsmittel. Unter leichtflüchtig wird verstanden, dass das Lösungsmittel einen Siedepunkt von 75 bis 140°C, insbesondere von 75 bis 85°C besitzt. Als wasserlösliche Lösungsmittel sind insbesondere polare Lösungsmittel geeignet. Besonders geeignet sind einwertige niedere Alkohole mit 1 bis 5 C-Atomen, z. B. Methanol, Ethanol, Propanole, Butanole und Pentanole. Weiterhin sind wasserlösliche Ketone mit 3 bis 5 C-Atomen geeignet, insbesondere Aceton, Methylethylketon, Diethylketon. Bevorzugt werden Methanol, Ethanol, Propanole, Butanole, Dimethylketon oder Mischungen davon.Of the Remainder of the coating solution consists of a volatile, water-soluble organic solvents. Under volatile it is understood that the solvent a boiling point of 75 to 140 ° C, in particular from 75 to 85 ° C has. As water-soluble solvent are especially polar solvents suitable. Particularly suitable are monohydric lower alcohols with 1 to 5 carbon atoms, z. As methanol, ethanol, propanols, butanols and Pentanols. Furthermore, water-soluble ketones having 3 to 5 carbon atoms are suitable, in particular acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone. To be favoured Methanol, ethanol, propanols, butanols, dimethyl ketone or mixtures from that.
Die Herstellung der Lösung erfolgt in der Regel so, dass das Lösungsmittel in ganzer Menge oder zu einem Teil vorgelegt wird, dann wird unter Rühren die Säure und danach unter Rühren das Silica-Sol zugegeben sowie gegebenenfalls die Restmenge an Lösungsmittel zugefügt.The Preparation of the solution usually takes place in such a way that the solvent in whole quantity or is submitted to a part, then with stirring the Acid and then stir the silica sol is added and optionally the residual amount of solvent added.
Das Benetzen der Glaskörper mit der Beschichtungslösung kann auf beliebige Art und Weise erfolgen, z. B. durch Aufwalzen mit porösen Walzen (Schwammwalzen), durch Pinseln, Bürsten, Fluten usw., bevorzugt durch Aufsprühen und besonders bevorzugt durch Tauchen. Bei dem Tauchen werden die zu beschichtenden Glaskörper in die Lösung getaucht (mit beliebiger Geschwindigkeit, sofern nur dabei die Radflüssigkeit nicht spritzt und keine Gasblasen an dem eintauchenden Glaskörper hängen bleiben) und mit konstanter Geschwindigkeit wieder herausgezogen. Geeignete Geschwindigkeiten liegen zwischen 1 mm·s-1 bis zu etwa 100 mm·s-1. Es wird angestrebt, mit einer möglichst hohen Ziehgeschwindigkeit zu arbeiten, um hohe Produktivitätsraten zu erreichen. Die Ziehgeschwindigkeit hängt von der Verdampfungsrate der Lösung sowie der Viskosität der Lösung, den apparativen Gegebenheiten, der Temperatur der Lösung und der Atmosphäre im Ziehbereich ab und kann von jedem Fachmann leicht im Hinblick auf die örtlichen Gegebenheiten optimiert werden. In der Praxis haben sich Ziehgeschwindigkeiten von 1 bis 20 mm·s-1 bewährt.The wetting of the glass body with the coating solution can be done in any way, for. B. by rolling with porous rollers (sponge rollers), by brushing, brushing, flooding, etc., preferably by spraying and more preferably by dipping. During the immersion, the glass bodies to be coated are dipped into the solution (at any speed, provided that only the wheel fluid does not splash and no gas bubbles get caught on the dipping glass body) and pulled out again at a constant speed. Suitable speeds are between 1 mm.s -1 to about 100 mm.s -1 . The aim is to work with the highest possible pulling speed in order to achieve high productivity rates. The rate of drawing depends on the rate of evaporation of the solution and the viscosity of the solution, the conditions of the apparatus, the temperature of the solution and the atmosphere in the drawing area and can be easily optimized by any person skilled in the art with regard to the local conditions. In practice, drawing rates of 1 to 20 mm · s -1 have proven successful.
Nach der Benetzung des Glaskörpers mit der Lösung wird die gebildete Schicht in an sich bekannter Weise getrocknet und eingebrannt. Das Trocknen kann auch in einem Schritt mit dem Einbrennvorgang erfolgen, wenn sichergestellt ist, dass bei der Verdampfung der Lösung keine Gasblasenbildung erfolgt. Das Einbrennen erfolgt in üblicher, dem Fachmann an sich bekannter Weise bei Temperaturen von etwa 450°C (d.h. unterhalb Tg) bis zu 35°C oberhalb der Transformationstemperatur Tg des Glases, insbesondere bei Temperaturen von 575 bis 590°C. Einbrenntemperaturen oberhalb Tg des Glases wurden bisher jedoch noch nicht angewandt.After wetting the glass body with the solution, the layer formed is dried and baked in a conventional manner. The drying can also take place in one step with the baking process, if it is ensured that no gas bubble formation occurs during the evaporation of the solution. The baking is carried out in a conventional manner known to those skilled in the art at temperatures of about 450 ° C (ie below T g ) up to 35 ° C above the transformation temperature T g of the glass, in particular at temperatures of 575 to 590 ° C. However, baking temperatures above T g of the glass have not yet been used.
Die für das Einbrennen benötigte Zeit richtet sich nach den apparativen Gegebenheiten und kann von einem Fachmann leicht bestimmt werden. Üblicherweise kommen Einbrennzeiten von etwa 0,5-1 Stunde zur Anwendung.The for the Branding needed Time depends on the equipment and can of a Professional easily diagnosed. Usually come burn-in times from about 0.5-1 hour to application.
Die erzeugte Schicht besteht zu mindestens 95 Gew.-%, bevorzugt mindestens 99 Gew.-% aus SiO2. Ganz besonders wird bevorzugt, wenn die Schicht vollständig aus SiO2 besteht.The produced layer consists of at least 95 wt .-%, preferably at least 99 wt .-% of SiO 2 . It is particularly preferred if the layer consists entirely of SiO 2 .
Die Schicht besitzt eine Porosität von etwa 10 bis 60% des Schichtvolumens. In diesem Bereich wird eine gute Entspiegelung, d.h. ein guter Durchtritt von Licht durch den entspiegelten Glaskörper erreicht.The Layer has a porosity from about 10 to 60% of the layer volume. In this area will be a good antireflection, i. a good passage of light through the anti-reflective glass body reached.
Die mit dem Verfahren erzeugte Schichtdicke liegt für eine gute Entspiegelungswirkung zwischen 50 nm und 500 nm. Wird diese Schichtdicke nicht erreicht, ist gegebenenfalls vorzugsweise vor dem Einbrennen ein weiterer Beschichtungsvorgang erforderlich, wobei vor dem erneuten Beschichtungsvorgang die vorherige Beschichtung jeweils so weit getrocknet werden muss, dass sie nicht in dem zweiten Beschichtungsvorgang aufgelöst wird. Bevorzugt wird eine Schichtdicke zwischen 80 und 160 nm.The layer thickness produced by the method is for a good anti-reflection effect between 50 nm and 500 nm. If this layer thickness is not reached, If appropriate, it is preferably another before baking Coating process required, taking before the re-coating process each time the previous coating has to be dried that it does not dissolve in the second coating process. A layer thickness between 80 and 160 nm is preferred.
Der Porendurchmesser in der erzeugten Schicht soll bevorzugt 2 bis 50 nm betragen, da bei dieser Porengröße eine besonders gute antireflexive Wirkung erreicht wird.Of the Pore diameter in the layer produced should preferably 2 to 50 nm, since this pore size is a particularly good antireflexive Effect is achieved.
Das
Verfahren erlaubt insbesondere die Herstellung von Antireflexionsschichten
auf Borosilikatglas. Das Borosilikatglas enthält folgende Bestandteile (in
Gew.-% auf Oxidbasis):
Auf Borosilikatglas mit einer abweichenden Glaszusammensetzung nimmt die Haft- und Wischfestigkeit der Beschichtung deutlich ab.On Borosilicate glass with a different glass composition increases the adhesive and wipe resistance of the coating significantly.
Besonders geeignet sind Gläser der Zusammensetzung 70-75 SiO2, 8-11 B2O3, 6-8 Al2O3, 6-8 Na2O, 1-4 K2O, 7-12 Σ Alkalioxide, 0-2 CaO.Especially suitable are glasses of the composition 70-75 SiO 2 , 8-11 B 2 O 3 , 6-8 Al 2 O 3 , 6-8 Na 2 O, 1-4 K 2 O, 7-12 Σ alkali oxides, 0- 2 CaO.
Ein besonderer Reinigungsschritt vor dem Benetzen, z. B. durch Sprühbeschichten oder Tauchen der Glaskörper in die Beschichtungslösung ist normalerweise nicht erforderlich. Lediglich wenn die Glaskörper während des Transports oder der Lagerung verschmutzt worden sind, müssen die Verschmutzungen durch einen Waschprozess wieder entfernt werden.One special cleaning step before wetting, z. B. by spray coating or dipping the vitreous body in the coating solution is not usually required. Only if the glass body during the Transport or storage must be contaminated Pollutions are removed by a washing process again.
Die Beschichtung ist besonders geeignet zur Beschichtung von Borosilikatglaskörpern der oben genannten Zusammensetzungen als Glasrohr, Glasstab oder Glasscheibe, zur Herstellung einer Vorrichtung in der Solarthermie, besonders bei der Brauchwassererwärmung, Prozesswärmeerzeugung und insbesondere in der Parabolrinnenkraftwerkstechnik.The Coating is particularly suitable for coating borosilicate glass bodies of above-mentioned compositions as a glass tube, glass rod or glass plate, for producing a device in solar thermal, especially during domestic water heating, Process heat and especially in parabolic trough power plant technology.
Mit der Erfindung lassen sich Antireflexionsschichten auf Borosilikatglas erzeugen, die auch ohne Nachbehanldung alterungsfest sind und über eine hervorragende Wischbeständigkeit verfügen.With According to the invention, antireflection coatings can be applied to borosilicate glass which are resistant to aging without further notice and over one excellent wiping resistance feature.
BeispieleExamples
1. Herstellung der Beschichtungslösungen1. Preparation of the coating solutions
-
A) Stand der Technik (phosphathaltig)
Analog
der
US 6,998,177 B2 US 6,998,177 B2 -
B) Stand der Technik (phosphatfrei)
Analog der
US 6,998,177 B2 US 6,998,177 B2 - C) Erfindungsgemäß Eine erfindungsgemäße Beschichtungslösung wurde wie folgt erzeugt: 235,8 g Isopropanol wurden mit 216 g 5 N-HCl versetzt, die Lösung wurde 1 Minute lang gerührt, danach wurden 268,8 g Kieselsol (Köstrosol 0830A) zugesetzt, es wurde wieder 1 Minute lang gerührt, die Mischung wurde mit 3301 g Isopropanol versetzt und 5 Minuten lang gerührt. Danach war die Lösung gebrauchsfertig.C) According to the Invention A coating solution according to the invention was produced as follows: 2165 g of 5N-HCl were added to 235.8 g of isopropanol, the solution was stirred for 1 minute, then were added 268.8 g of silica sol (Köstrosol 0830A), it was again stirred for 1 minute, the mixture was treated with 3301 g of isopropanol and stirred for 5 minutes. After that, the solution was ready to use.
2. Beschichtungsverfahren2. Coating process
Glasrohre der Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) 73 SiO2, 9,5 B2O3, 7 Al2O3, 7 Na2O, 3 K2O und 0,5 CaO (Glas Nr. 1) mit einem Außendurchmesser von 125 mm und einer Wanddicke von 3 mm sowie einer Länge von 500 mm wurden entlang ihrer Längsachse 250 mm tief in die Beschichtungslösung eingetaucht. Die Eintauchgeschwindigkeit betrug 10 mm·s-1. Nach einer Verweilzeit von ca. 10 sec wurde das Glasrohr mit einer Geschwindigkeit von 3,8 mm·s-1 aus der Beschichtungslösung herausgezogen. Durch den Ziehprozess bildete sich ein Nassfilm auf dem Glas. Das beschichtete Glas wurde entweder in einer beheizten Kammer bei einer Temperatur von 575°C, d.h. 10°C oberhalb Tg des Glases, 1 Stunde lang behandelt oder bei 500°C, d.h. 65°C unterhalb Tg des Glases, 1 Stunde lang behandelt.Glass tubes of the composition (in% by weight based on oxide) 73 SiO 2 , 9.5 B 2 O 3 , 7 Al 2 O 3 , 7 Na 2 O, 3 K 2 O and 0.5 CaO (glass no. 1) with an outer diameter of 125 mm and a wall thickness of 3 mm and a length of 500 mm were immersed along their longitudinal axis 250 mm deep in the coating solution. The immersion speed was 10 mm · s -1 . After a residence time of about 10 seconds, the glass tube was pulled out of the coating solution at a speed of 3.8 mm.s -1 . The drawing process formed a wet film on the glass. The coated glass was either in a heated chamber at a temperature of 575 ° C, ie 10 ° C above T g of the glass, treated for 1 hour or at 500 ° C, ie 65 ° C below T g of the glass, for 1 hour treated.
Zum Vergleich wurde ein Glasrohr aus einem Borosilikatglas der Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von 81 SiO2, 13 B2O3, 2 Al2O3, 3,5 Na2O und 0,5 K2O beschichtet (Glas Nr. 2). Das Glasrohr hatte einen Außendurchmesser von 100 mm und eine Wanddicke von 2,5 mm For comparison, a glass tube of a borosilicate glass of the composition (in% by weight based on oxide) of 81 SiO 2 , 13 B 2 O 3 , 2 Al 2 O 3 , 3.5 Na 2 O and 0.5 K 2 O was coated (Glass No. 2). The glass tube had an outer diameter of 100 mm and a wall thickness of 2.5 mm
3. Alterungsbeständigkeit3. aging resistance
Die beschichteten Rohre wurden bis zu 9 Monate an freier Luft gelagert. Es wurde geprüft, ob visuell Trübungen oder eine Verblassung der Farbe der Antireflexionsschicht auftraten.The coated tubes were stored in open air for up to 9 months. It was checked whether visually clouding or fading of the color of the antireflection layer occurred.
4. Wischtest4. Wipe test
Da der Wischtest nach DIN 58196 5 nur für plane Glasproben geeignet ist, wurde er zur Prüfung der beschichteten Rohre entsprechend abgewandelt.There the wipe test according to DIN 58196 5 only suitable for flat glass samples is, he was for examination The coated tubes modified accordingly.
Als Wischkörper dient ein genormter Radiergummi mit der Spezifikation MILE-12397. Das Glasrohr wurde eingespannt und der Radiergummi wurde mit einer Auflagefläche von 1 kg mittels eines beweglichen Schlittens längs der Rohrachse mit einer Geschwindigkeit von 10 mm·s-1 über die Beschichtung hin und her bewegt. Die Anzahl der Wischhübe bis zur kompletten Schichtentfernung ist ein Maß für die Wischfestigkeit der Schicht. Der Wischtest wurde sofort nach dem Einbrennen der Beschichtung („anfangs") vorgenommen und nach einiger Zeit wiederholt.The wiper body is a standardized eraser with the specification MILE-12397. The glass tube was clamped and the eraser was reciprocated over the coating with a 1 kg contact surface by means of a movable carriage along the tube axis at a speed of 10 mm.s -1 . The number of swipe strokes up to complete layer removal is a measure of the smudge resistance of the layer. The wipe test was performed immediately after baking the coating ("at the beginning") and repeated after some time.
5. Ergebnisse5. Results
Die
Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
Aus diesen Beispielen wird die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich.Out these examples become superiority the method according to the invention clear.
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